JP4669469B2 - 反射型光ファイバ電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、反射型光ファイバ電流センサに係り、特に、位相変調器を最適設計した反射型光ファイバ電流センサに関するものである。

近年、光ファイバ電流センサは、直流電気鉄道のき電システムにおいて異常電流を検出するＣＴ（current transformer）に適用するべく開発されている。

光ファイバ電流センサは、導体に周回して配置される電流検出用光ファイバに光信号を入射させ、ファラデー効果による光信号の位相変化から導体に流れる電流を検出するものである。

その具体的な構成及び原理は特許文献１，２に記載されている。特許文献２に記載されているように、光ファイバ電流センサは、光信号（２つの異なる偏光間）の位相差を検出するため、位相変調器や遅延光ファイバを備え、位相変調器としては、主にピエゾセラミック圧電素子（例えば、ＰＺＴ圧電素子）に偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を巻きつけ、光ファイバに歪みを与えて位相変調するものが用いられている。

光ファイバ電流センサには、同じ回転方向の２つの円偏光を電流検出用光ファイバの両側から互いに逆回りに入射させて２偏光間の位相差を計測するループ型のものと、電流検出用光ファイバの一端から互いに逆回りの２つの円偏光を入射させ、電流検出用光ファイバの終端で反射された２偏光間の位相差を計測する反射型のものとがある。

ループ型光ファイバ電流センサでは、反射ミラーが不要であるためコスト的にアドバンテージがある。一方、反射型光ファイバ電流センサは据付時の施工性がよいこと、光信号が電流検出用光ファイバを往復するため同一巻数では光路長がループ型の２倍となり感度が向上すること、及び機械的な振動の影響を受けにくいこと等の利点がある。

特開２００４−３６１１９６号公報 特開２００５−３４５３５０号公報 於保ら，「車載実験用光ファイバジャイロの試作」，１９８９年８月，電子情報通信学会論文誌Ｃ−ＩＩ，vol.J72-C-II，No.8，pp811-819

（１）光ファイバ電流センサでは、ＰＺＴ圧電素子に巻くＰＭＦの長さ、ＰＺＴ圧電素子による変調振幅、ＰＭＦの結合長、ＰＺＴ圧電素子の変調周波数、遅延光ファイバ長等のパラメータを決定する必要があるが、これらパラメータ間の関係が把握できていないため、試作して条件（パラメータ）を決定していた。

しかしながら、試作条件に目安がないため、信号制御回路でＰＺＴを位相変調する振幅（位相変調の深さ）が不足することが多く発生し、ＰＺＴの巻き数を増やしたり、光学系を何回も作り直す必要があった。よって、条件を決定するために時間、労力、材料を無駄にしていた。
（２）ＰＭＦの結合長やＰＺＴの歪み特性には個体差があるため、組立て途中で動作に不具合が発生する場合があり、歩留を低下させていた。
（３）信号制御回路で変調できる振幅の余裕度（最大値）が見積もれないため、各部品の温度特性などにより、変調振幅が不足して動作異常になる場合があった。
（４）反射型の位相変調効率はループ型に比べて極端に低く、部品選定、各ＰＭＦ長の設計に苦労していた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、様々な環境下で安定して動作することができると共に、歩留よく作製することができる反射型光ファイバ電流センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光源より出射した光信号を、光カプラ、偏光子、４５度接続点、デポラライザを順次伝搬させて互いに直交する２つの直線偏光にし、圧電素子に偏波面保存光ファイバを巻きつけてなる位相変調器、遅延用光ファイバ及び１／４波長素子を順次伝搬させて互いに逆回りの２つの円偏光にし、導体に周回して配置され円偏波保存光ファイバからなる電流検出用光ファイバに入射させ、その電流検出用光ファイバの終端で反射された光信号を、上記１／４波長素子、遅延用光ファイバ、位相変調器、デポラライザ、偏光子、光カプラを順次伝搬させて、上記２つの円偏光を干渉させた光信号を受光器で受光し、受光した光信号の強度変化から上記導体に流れる電流を検出する反射型光ファイバ電流センサにおいて、上記位相変調器による位相変調振幅φｐｚｔが、上記圧電素子に印加する電気信号の変調周波数ｆｍと上記遅延光ファイバ及び電流検出用光ファイバの長さＬｄと、実効位相変調指数φｅと、上記遅延光ファイバ及び電流検出用光ファイバを上記光信号が往復するための伝搬遅延時間τと、を用いて式（６）で求まる位相変調振幅φｍよりも大きい値である反射型光ファイバ電流センサである。
φｍ＝φｅ／｛２ｓｉｎ（π・ｆｍ・τ）｝ …（６）

請求項２の発明は、上記圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの長さと、上記偏波面保存光ファイバの結合長と、上記圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの歪みとを調整して、上記位相変調振幅φｐｚｔの最大値を上記位相変調振幅φｍの１．５倍以上にする請求項１記載の反射型光ファイバ電流センサである。

請求項３の発明は、上記変調周波数ｆｍは、上記遅延光ファイバと上記電流検出用光ファイバを上記光信号が往復するための伝搬遅延時間τの２倍の逆数に等しい周波数である請求項１または２記載の反射型光ファイバ電流センサである。

本発明によれば、試作期間を短縮でき、高い歩留まり、高い信頼性を有する光ファイバセンサを実現することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明に係る反射型光ファイバ電流センサの好適な実施の形態を示した構成図である。

本実施形態の反射型光ファイバ電流センサ１０は、センサ本体部１１と、センシング部１２と、センサ本体部１１とセンシング部１２とを接続する遅延光ファイバ１８の一部とで構成される。

センサ本体部１１は、光源１３、光カプラ１４、偏光子１５、デポラライザ１６、位相変調器１７及び遅延光ファイバ１８が接続され、光カプラ１４の光源１３が接続される反対側には受光器１９が接続されてなる。

光源１３にはスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、或いは発振閾値以下で駆動するレーザダイオード（ＬＤ）が用いられる。受光器１９には、フォトダイオード光検出器或いは光パワーメータ等が用いられる。

光カプラ１４は、光源１３からの光を偏光子１５へ導くと共に、偏光子１５からの光を受光器１９へ導くものである。偏光子１５は光源１３からの光信号を直線偏光にするものであり、デポラライザ１６は、直交した２偏光間に伝搬光の可干渉距離（コヒーレンス長）を超える差を付与し、２偏光間の相関を解消するものである。偏光子１５及びデポラライザ１６は、それぞれ偏波面保存光ファイバ（ＰＭＦ）を用いて形成されたファイバタイプのものが用いられる。

位相変調器１７は、例えば、円筒状のピエゾセラミック（例えば、ＰＺＴ）の圧電素子に偏波面保存光ファイバを巻きつけて構成され、圧電素子には変調電圧を印加する位相変調制御回路が接続される。また、遅延光ファイバ１８にも偏波面保存光ファイバが用いられる。偏光子１５とデポラライザ１６とは、固有偏光軸（複屈折主軸）が互いに４５度傾いて接続される（４５度接続点２０）。

光源１３、位相変調器１７及び受光器１９には、信号処理回路（電子回路）２１が接続される。信号処理回路２１は、光源１３に接続される光源駆動回路と、位相変調器１７に接続される位相変調制御回路と、受光器１９に接続される光電変換回路とを備える。位相変調制御回路は、位相変調振幅を制御するためのＤ／Ａ変換器或いはアッテネータ（減衰器）を備える。

センシング部１２は、計測対象となる導体Ｚに周回配置される電流検出用光ファイバ２３が、遅延光ファイバ１８に１／４波長素子２２を介して接続され、電流検出用光ファイバ２３の終端に反射部材２４が形成されてなる。

電流検出用光ファイバ２３としては円偏波保持光ファイバが用いられる。円偏波保持光ファイバとは、複屈折の小さい（殆ど無い）光ファイバを示し、スパンファイバ（ＳＰＦ）や鉛ガラスファイバである。反射部材２４としては、電流検出用光ファイバ２３の終端に金属蒸着膜或いは誘電体多層膜が形成される。

次に、本実施の形態の反射型光ファイバ電流センサ１０の動作を説明する。

光源１３から出射された光信号は、光カプラ１４を出た後、偏光子１５により直線偏光Ｌ１に変えられ、４５度接続点２０で互いに直交する２つの直線偏光Ｌ２に変換される。デポラライザ１６は、直交する２つの直線偏光Ｌ２に伝搬光の可干渉距離を超える差を付与し、２つの直線偏光Ｌ２は位相変調器１７により位相が変調され、遅延光ファイバ１８で遅延（直交偏光間に伝搬時間差が付与）される。

２つの直線偏光Ｌ２は、１／４波長素子２２により、互いに逆回転方向の円偏光（右周り円偏光Ｌ３及び左周り円偏光Ｌ４）に変換される。両円偏光Ｌ３，Ｌ４は、電流検出用光ファイバ２３を伝搬し、ファイバ終端に形成された反射部材２４で反射され、電流検出用光ファイバ２３を逆周りに伝搬する。

２つの円偏光Ｌ３，Ｌ４が電流検出用光ファイバ２３を伝搬する間、電流検出用光ファイバ２３内側を通る導体Ｚを流れる電流により発生する磁界により、両円偏光Ｌ３，Ｌ４はファラデー効果が作用してそれぞれ位相が変化する。ファラデー効果により両円偏光Ｌ３，Ｌ４間に生じる位相差Δθは、以下の式（１）で表される。

Δθ＝４Ｖｅ・ｎ・Ｉ
ただし、Ｖｅはヴェルデ定数［rad/A］、ｎは導体Ｚに巻きつけた電流検出用光ファイバ２３の巻き数、Ｉは導体Ｚを流れる電流［A］である。

２つの円偏光は１／４波長素子で再び直線偏光に変換され、４５度接続点２０に戻ってきた直線偏光は、４５度接続点２０で干渉して干渉光となる。その干渉光は光カプラ１４を通って受光器１９で受光される。受光された干渉光は、その受光強度が位相差Δθに依存し、干渉光の受光強度から間接的に位相差Δθが求まることになり、その位相差（強度変化）から導体電流Ｉを計測することができる。

さて、本実施の形態の反射型光ファイバ電流センサ１０は、圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの長さと圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの歪みの大きさ（或いは、ファイバ歪みによる位相変調の最大値）と偏波面保存光ファイバの結合長とで決まる位相変調振幅（位相変調の深さ）Ａを、圧電素子に印加する電気信号の変調周波数と、遅延光ファイバ及び電流検出用光ファイバの長さと、実効位相変調指数とで決まる位相変調振幅設計値Ｂに対して大きくしたものである。

ＰＭＦの結合長は、ｘ偏波、ｙ偏波が伝搬するＰＭＦで、ｘ偏波、ｙ偏波の位相差が２πになるＰＭＦ伝搬距離をさす。

ここで、位相変調振幅設計値Ｂについて説明する。

一般に、反射型光ファイバ電流センサでは、実効位相変調指数φｅは以下の式（２）で表される。

φｅ＝２φｍ・ｓｉｎ（π・ｆｍ・τ） …（２）
ただし、ｆｍは位相変調周波数、φｍは位相変調振幅（＝位相変調振幅設計値Ｂ）、τは伝搬遅延時間である。

また、伝搬遅延時間τは、以下の式（３）で表される。

τ＝２Ｌｄ・ｎ／ｃ …（３）
ただし、Ｌｄは電流検出用光ファイバ２３と遅延光ファイバ１８のファイバ長（位相変調器１７以降のファイバ長）、ｎは光ファイバの屈折率、ｃは光速（３×１０⁸m/s）である。

ｆｍ＝１／（２τ） …（４）
のとき、上記式（２）の正弦関数は最大となるので、式（４）を満たすｆｍは最適変調周波数ｆｐと呼ばれ、変調振幅を最小にすることができる理想的な変調周波数である。よって、変調周波数ｆｍは、ｆｐであるのが好ましい。すなわち、ｆｍは、遅延光ファイバと電流検出用光ファイバを光が往復する時間の２倍の逆数に等しい周波数であるのが好ましい。

式（２）〜式（４）を用いて、φｅ、ｆｍ、τを決定すれば、位相変調振幅φｍ（設計値Ｂ）が求められる。

次に、ＰＺＴ圧電素子による位相変調振幅Ａについて説明する。位相変調器１７では、ＰＺＴに正弦波の位相変調信号を印加すると、巻きつけたＰＭＦに歪みが加わる。ＰＺＴ圧電素子に巻きつける光ファイバ長をＬｗ、光ファイバに加わる歪みをε、ＰＭＦの結合長をＬｃとすると、位相変調振幅Ａ（＝φｐｚｔ）は以下の式（５）で表される。

φｐｚｔ＝Ｌｗ・ε・２π／Ｌｃ …（５）
ここで、光ファイバに加わる歪みεは、印加する位相変調信号の電圧に比例する。したがって、φｍ（位相変調振幅設計値Ｂに相当）に対してφｐｚｔ（位相変調振幅Ａに相当）が大きくなるように、位相変調信号の電圧の最大値（電圧振幅の制御幅）を決定する。好ましくは、φｍに対するφｐｚｔの最大値を１．５倍以上に各物理定数（Ｌｗ、ε、Ｌｃ）と位相変調信号の電圧振幅を設定する。

位相変調振幅Ａの位相変調振幅設計値Ｂに対する倍率は、位相変調振幅Ａを制御する信号処理回路（特に、Ｄ／Ａまたはアッテネータ）２１の分解能と、センサの要求精度（リニアリティ）から許容できる振幅の範囲、または、位相変調器１７の歪みによる光位相変調がリニアな範囲、または、変調可能な電圧出力範囲の最も小さい値から決定する。

本実施の形態の反射型光ファイバ電流センサ１０によれば、圧電素子に巻きつけるＰＭＦの長さ、ＰＭＦの結合長及び圧電素子に印加する位相変調信号の電圧を決定することにより、条件出し（各パラメータの決定）のための試作期間が短縮でき、高い歩留、低コストで作製することができる。すなわち、位相変調に必要な振幅が設計できるので、例えばＰＭＦの長さを必要最低限の長さにする等、必要以上の性能を有する（オーバスペックな）部品や構成の見直しが可能になり、限界コスト、サイズで設計することができる。

また、位相変調に必要な振幅が設計できるので、位相変調振幅不足による動作異常（計測値のエラー）を防ぎ、様々な環境下で安定して使用することができる。

以上、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。

次に、本発明の実施形態について、実施例に基づいて説明するが、本発明の実施の形態はこれらの実施例に限定されるものではない。

位相変調周波数ｆｍ＝２４ｋＨｚ、実行位相変調指数φｅ＝１．８、電流検出用光ファイバ長を含む遅延光ファイバ長Ｌｄ＝３００ｍとすると上記式（１）より、位相変調振幅設計値φｍは
１．８＝２φｍ・ｓｉｎ（０．２２２）
φｍ＝４．０９［ｒａｄ］
となる。

実効位相変調指数φｅは、光電流センサのリニアリティに影響するので、φｅを一定値に保持する位相変調振幅制御が一般的に採用されている（詳細は非特許文献１参照）。φｅは高調波信号処理において第１種ベッセル関数の引数になる。基本波（１倍波）の感度を最大にするには、φｅ＝１．８に保持される。なお、φｅの値はベッセル関数表から知ることができる値である。

一方、ＰＺＴに巻き付ける光ファイバ長Ｌｗ＝０．３ｍ、ＰＭＦの結合長Ｌｃ＝１ｍｍとすると、位相変調振幅φｐｚｔ＝４．０９［ｒａｄ］を得るために必要な歪みεは、
ε＝（４．０９×０．００１）／（０．３×２π）＝２．１７×１０^-3
となる。これより、０．２１７％の１．５倍以上の歪みをＰＭＦに与える位相変調振幅Ａが必要であり、この位相変調振幅Ａを満たすように、位相変調器を選定し、位相変調制御回路の最大振幅を決定する。

本発明に係る好適な一実施形態の反射型光ファイバ電流センサの構成を示す構成図である。

符号の説明

１０ 反射型光ファイバ電流センサ
１３ 光源
１４ 光カプラ
１５ 偏光子
１６ デポラライザ
１７ 位相変調器
１８ 遅延光ファイバ
１９ 受光器
２１ 信号処理回路
２２ １／４波長素子
２３ 電流検出用光ファイバ
Ｚ 導体

Claims (3)

1. 光源より出射した光信号を、光カプラ、偏光子、４５度接続点、デポラライザを順次伝搬させて互いに直交する２つの直線偏光にし、圧電素子に偏波面保存光ファイバを巻きつけてなる位相変調器、遅延用光ファイバ及び１／４波長素子を順次伝搬させて互いに逆回りの２つの円偏光にし、導体に周回して配置され円偏波保存光ファイバからなる電流検出用光ファイバに入射させ、その電流検出用光ファイバの終端で反射された光信号を、上記１／４波長素子、遅延用光ファイバ、位相変調器、デポラライザ、偏光子、光カプラを順次伝搬させて、上記２つの円偏光を干渉させた光信号を受光器で受光し、受光した光信号の強度変化から上記導体に流れる電流を検出する反射型光ファイバ電流センサにおいて、 上記位相変調器による位相変調振幅φｐｚｔが、上記圧電素子に印加する電気信号の変調周波数ｆｍと上記遅延光ファイバ及び電流検出用光ファイバの長さＬｄと、実効位相変調指数φｅと、上記遅延光ファイバ及び電流検出用光ファイバを上記光信号が往復するための伝搬遅延時間τと、を用いて式（６）で求まる位相変調振幅φｍよりも大きい値であることを特徴とする反射型光ファイバ電流センサ。
   φｍ＝φｅ／｛２ｓｉｎ（π・ｆｍ・τ）｝ …（６）
2. 上記圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの長さと、上記偏波面保存光ファイバの結合長と、上記圧電素子に巻きつけた偏波面保存光ファイバの歪みとを調整して、上記位相変調振幅φｐｚｔの最大値を上記位相変調振幅φｍの１．５倍以上にする請求項１記載の反射型光ファイバ電流センサ。
3. 上記変調周波数ｆｍは、上記遅延光ファイバと上記電流検出用光ファイバを上記光信号が往復するための伝搬遅延時間τの２倍の逆数に等しい周波数である請求項１または２記載の反射型光ファイバ電流センサ。

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